內(nèi)區(qū)房間通風(fēng)換氣智能控制系統(tǒng)應(yīng)用

宗兆春，馮澤龍，王廣齊，魏志立，楊文玉

（中建交通建設(shè)集團有限公司，北京 100000）

1 引言

空調(diào)通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)已經(jīng)成為居民日常生活中不可缺少的設(shè)備。內(nèi)區(qū)房間環(huán)境復(fù)雜多變，如灰塵大、溫度高等嚴(yán)重影響人們生活質(zhì)量，不及時地進行室內(nèi)換氣或通風(fēng)系統(tǒng)改造，會導(dǎo)致設(shè)備工作效率下降，同時增加能源消耗及空氣污染。內(nèi)區(qū)房間通風(fēng)換氣智能控制系統(tǒng)由現(xiàn)代化智能控制裝置和管理模式組成，它具有較高可靠性，可以根據(jù)不同房間的功能需求對房間內(nèi)的空氣、濕度、溫度等參數(shù)進行智能化調(diào)控。根據(jù)房間實際需要選擇不同功能類型，設(shè)置控制面板和按鍵，同時檢測與監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境。

2 內(nèi)區(qū)房間通風(fēng)換氣系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)研究

2.1 影響內(nèi)區(qū)房間通風(fēng)換氣系統(tǒng)的主要因素

1）空調(diào)水壓波動、冷凍風(fēng)溫度升高對室內(nèi)冷凝器傳熱量的影響。

2）空氣流量和溫度。如果室內(nèi)環(huán)境溫差較大，就會導(dǎo)致?lián)Q氣口關(guān)閉，影響空調(diào)區(qū)的正常工作。

3）二氧化碳濃度和熱量消耗。在整個循環(huán)過程中總有大量氣體從吸塵口進入室外機而產(chǎn)生污染源問題。

4）系統(tǒng)的壓力降。在空氣處理機組中，壓縮機、電機和執(zhí)行器等部件產(chǎn)生壓差，引起氣體流量變化以及氣流分布不均勻。當(dāng)壓縮機出口蒸汽溫度超過設(shè)定值時就會導(dǎo)致?lián)Q氣口附近氣壓升高。

5）系統(tǒng)負(fù)荷的影響：空調(diào)制冷機組運行過程中都有大量的工質(zhì)損失，尤其是冷凝水，它的損失很大，從而造成了空調(diào)系統(tǒng)耗電量巨大[1]。

2.2 智能控制系統(tǒng)工作過程

智能控制系統(tǒng)主要由中央控制器、傳感網(wǎng)絡(luò)控制部分和綜合環(huán)境感知3 個子系統(tǒng)構(gòu)成。工作過程如下：首先，傳感器將收集到的室內(nèi)溫度、濕度等信息，轉(zhuǎn)換成單片機可接受并處理后送至中央控制器，由中央控制器進行相應(yīng)處理后再發(fā)送給下位機，上位PC 通過對該溫控系統(tǒng)來判斷當(dāng)前環(huán)境是否適宜換氣或者換熱，然后再由集中控制算法生成相應(yīng)指令來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成換氣或溫度濕度調(diào)控。在實際應(yīng)用中可根據(jù)設(shè)定值進行相應(yīng)智能切換來實現(xiàn)對環(huán)境溫度監(jiān)測功能的有效結(jié)合與轉(zhuǎn)化達到節(jié)能目的，當(dāng)系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)人為因素導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時，通過傳感器數(shù)據(jù)采集及智能處理模塊將相關(guān)信息傳遞給通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)各級設(shè)備，同時顯示實時溫度及允許的最大舒適度值。

2.3 模糊控制

模糊控制的基本原理是根據(jù)人腦對客觀事物的認(rèn)識程度，將系統(tǒng)劃分為若干個相對獨立但又相互聯(lián)系的子過程，通過經(jīng)驗或理論來進行推理和判斷。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用了模糊邏輯控制，通過檢測空調(diào)機組與空氣分離之后所得到的數(shù)據(jù)值和設(shè)定好的參數(shù)之間比較，確定偏差是否超出范圍并進行處理，應(yīng)用中一般采用閉環(huán)控制系統(tǒng)、差分微動控制閥和變壓裝置組成的系統(tǒng)模型，來分析各個子系統(tǒng)之間存在的聯(lián)系以及它們相互協(xié)調(diào)的工作過程[2]。

2.4 內(nèi)區(qū)房間通風(fēng)換氣算法

在實際工程中，有許多因素會影響到房間內(nèi)的空氣質(zhì)量，比如：工作時間、空調(diào)等設(shè)備。為了解決這些問題就需要一種換氣方法。這種控制技術(shù)主要是通過溫度、濕度和潔凈度來判斷，利用PID 算法確定風(fēng)量、溫度等環(huán)境變量之間相互轉(zhuǎn)換關(guān)系來實現(xiàn)換氣規(guī)律，首先建立控制系統(tǒng)模型及相關(guān)信息，如送風(fēng)口風(fēng)速、走道的壓力值以及環(huán)境所產(chǎn)生的二氧化碳濃度等，在試驗過程中，需要不斷地檢測控制裝置對空氣流量、溫度等環(huán)境參數(shù)的變化情況。在換氣之前，需要對房間的空氣質(zhì)量和污染物進行檢測。根據(jù)測試結(jié)果判斷室內(nèi)環(huán)境是否符合要求，得出數(shù)據(jù)再供用戶使用智能空調(diào)系統(tǒng)控制設(shè)備執(zhí)行操作，同時再通過顯示器提醒人們溫降和通風(fēng)換氣所設(shè)定的時間等。

2.5 對房間通風(fēng)換氣系統(tǒng)評價

根據(jù)實際情況對房間進行了多個方面評價：

1）房間的舒適性。該系統(tǒng)是否可以實現(xiàn)室內(nèi)空氣溫度、濕度和潔凈度等參數(shù)自動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

2）房間的清潔性。通過檢測人員換氣時排出廢氣物含量來判斷環(huán)境條件是否良好。

3）安全性或可靠性。使用者能夠在安全的環(huán)境下生活，系統(tǒng)良好運行[3]。

3 內(nèi)區(qū)房間通風(fēng)換氣智能控制系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

1）溫度控制。溫度檢測器是該設(shè)備最重要也最為關(guān)鍵性的一部分，當(dāng)環(huán)境溫濕度發(fā)生變化時，熱濕變化情況就會出現(xiàn)。所以需要對其設(shè)定一定范圍來保證它能夠正常運行，在設(shè)定好參數(shù)后，單片機通過采集溫度、濕度、二氧化碳濃度值和空氣溫度濕度等數(shù)據(jù)來判斷房間里的實際溫度濕度是否超過或低于設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)傳感器檢測到室內(nèi)環(huán)境異常時驅(qū)動聲光報警。

2）氣體濃度顯示及降噪處理功能。本系統(tǒng)溫度控制采用液晶顯示屏LCD1602 作為顯示器件，噪聲分貝以單片機為核心，軟件系統(tǒng)的設(shè)計主要是為了滿足內(nèi)區(qū)房間空氣質(zhì)量、監(jiān)控點溫度和風(fēng)量并在控制室對溫度濕度進行獨立調(diào)節(jié)，實現(xiàn)智能換氣。

3）換熱器由空氣冷卻泵、冷凝器和蒸發(fā)罐組成。其中空氣冷卻泵與暖風(fēng)機之間通過噴水或抽氣管道連接在一起實現(xiàn)能量交換作用。

3.2 系統(tǒng)硬件配置

1）換熱器監(jiān)控系統(tǒng)：該部分主要監(jiān)測空氣流量、蒸發(fā)溫度值。在實際應(yīng)用過程中，可將這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街悄苤行?。同時，也可以利用智能控制裝置對空調(diào)設(shè)備進行遠程監(jiān)視與管理。

2）中央控制器：根據(jù)下位機的設(shè)計要求配置相應(yīng)的電控閥，來實現(xiàn)對風(fēng)量及溫差變化情況，及時做出處理或提供一定時間間隔供用戶使用。

3）溫度傳感器。通過溫度傳感器檢測房間的濕度和溫度，并將溫控器輸出為數(shù)字信號，通過單片機設(shè)定一個標(biāo)準(zhǔn)值來對室內(nèi)空氣環(huán)境參數(shù)進行自動調(diào)節(jié)[4]。

3.3 智能通風(fēng)系統(tǒng)

智能通風(fēng)系統(tǒng)通過RS485 通信協(xié)議，每臺設(shè)備帶不同數(shù)量的面板，通過面板來控制新風(fēng)模塊與排風(fēng)模塊。通過控制面板，得到新風(fēng)模塊的反饋信號，由智能通風(fēng)系統(tǒng)新風(fēng)機組統(tǒng)計風(fēng)量的大小，實現(xiàn)新風(fēng)、排風(fēng)機自動調(diào)節(jié)聯(lián)動功能。智能通風(fēng)系統(tǒng)主要由電動風(fēng)閥，設(shè)備自帶溫度、濕度、壓差傳感器，盤管電動比例調(diào)閥，加濕調(diào)節(jié)閥集成，并通過通信接口實現(xiàn)遠程控制功能。該控制系統(tǒng)是通過溫度、濕度和潔凈度等參數(shù)來決定風(fēng)機的開啟與關(guān)閉。當(dāng)室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)達到設(shè)定值時，系統(tǒng)自動啟動換熱器并進行循環(huán)檢測；在測量范圍外還可對傳感器本身發(fā)出指令或執(zhí)行程序完成相應(yīng)功能操作，以滿足設(shè)計性能要求。

3.4 系統(tǒng)抗干擾能力

系統(tǒng)抗干擾能力是指控制設(shè)備在受到外界因素的影響時，能否及時、準(zhǔn)確地對環(huán)境中存在的不穩(wěn)定條件或者突發(fā)事件做出反應(yīng)，并保證能夠持續(xù)有效運行?？刂葡到y(tǒng)在遇到外界噪聲、電磁信號等環(huán)境突變時，能抵抗各種不利條件，它要求控制電路具有一定的穩(wěn)定性，即不間斷地對其進行檢測。

為了保證內(nèi)區(qū)房間空氣品質(zhì)達到要求值或者避免外界因素對其環(huán)境條件產(chǎn)生不良影響，可以采取以下抗干擾措施：

1）在控制器中，應(yīng)采用屏蔽線、穩(wěn)流圈等方式提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

2）布設(shè)新風(fēng)機消聲器，加裝過濾網(wǎng)來降低噪聲污染；

3）在系統(tǒng)中安裝屏蔽套，以防止干擾耦合；

4）當(dāng)被控對象具有一定強度或者靈敏度后，可采用閉式門或聲控開關(guān)來進行內(nèi)部控制，而不需要使用雙作用觸點，在設(shè)計時必須考慮其延時性[5]。

3.5 換氣系統(tǒng)阻力曲線擬合

當(dāng)換氣系統(tǒng)的阻力和壓力分布近似相同，即在該氣流條件下，空氣流量與各房間內(nèi)風(fēng)口速度相垂直，而當(dāng)各房間內(nèi)的壓力分布不均勻時，換熱器阻力系數(shù)、傳熱面積和壁面溫度也會出現(xiàn)較大變化，因此，需要對參數(shù)進行一定程度上的修正，以使其接近實際情況。當(dāng)氣流速度較高時（即在相同風(fēng)速條件下）會出現(xiàn)較大溫差；反之則相反。因此，當(dāng)入口側(cè)吸入新鮮風(fēng)流形成一定角度后，所產(chǎn)生阻力值變化很小或沒有達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求時，換氣系統(tǒng)不能正常工作運行。因此，需要根據(jù)測試數(shù)據(jù)，對風(fēng)機、水泵和電動風(fēng)扇進行空氣阻力PID 的控制曲線擬合。

3.6 參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)的溫度設(shè)定，開始時設(shè)置好環(huán)境中的溫度和濕度，當(dāng)室內(nèi)溫度、濕度不同時，首先選擇一個合適值進行計算。恒溫和流量設(shè)定：根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速、定時換氣時間和有功耗散率測定參數(shù)，分別對每個獨立按鍵執(zhí)行對應(yīng)I/O 口數(shù)值不同功能指令，對實時溫度閾值進行比較。該系統(tǒng)設(shè)置的參數(shù)為室內(nèi)溫度、濕度以及額定風(fēng)速。

3.7 數(shù)據(jù)處理

智能控制系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)處理，主要包括以下步驟：

1）對采集到的室內(nèi)環(huán)境空氣參數(shù)進行采樣；獲取房間內(nèi)溫度、濕度以及二氧化碳濃度等信息后，通過溫差和壓力轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值送入單片機。

2）檢測出所測氣體與標(biāo)定氣值對比結(jié)果是否超過設(shè)定規(guī)范要求。若沒有達到規(guī)定的指標(biāo)，則控制繼電器接通并打開換熱管或加熱風(fēng)系統(tǒng)，來實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境空氣進行補全處理。主要以內(nèi)區(qū)房間空氣換氣為核心環(huán)境溫度進行智能調(diào)節(jié)，通過多次測試及比較結(jié)果得出，控制繼電器閉合或斷電。同時，在控制系統(tǒng)中設(shè)置溫度、濕度和甲醛濃度的檢測，并將數(shù)據(jù)記錄下來。

3）根據(jù)以上測試結(jié)果，結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求對建筑房間內(nèi)空氣環(huán)境進行補全處理。

3.8 內(nèi)區(qū)房間空氣質(zhì)量檢測

內(nèi)區(qū)房間空氣質(zhì)量檢測裝置應(yīng)具有以下幾個功能：

1）能夠檢測出當(dāng)前所處房間內(nèi)有哪些區(qū)域有可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定或波動，以提醒房間內(nèi)的空氣質(zhì)量是否在正常范圍之內(nèi)。

2）檢測當(dāng)前環(huán)境中是否出現(xiàn)異常因素，并根據(jù)此狀況發(fā)出警報，使智能控制系統(tǒng)能對該故障區(qū)域進行及時處理。

3）能夠檢測到室內(nèi)溫度和濕度參數(shù)是否超出預(yù)設(shè)定值，監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)功能設(shè)置及操作方式控制等程序?qū)崿F(xiàn)了實時性要求[6]。

4 結(jié)語

本文主要介紹了內(nèi)區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)，將整個系統(tǒng)劃分為多個小部分并完成各自的功能，在系統(tǒng)的軟硬件方面，需要注意內(nèi)區(qū)房間溫度控制系統(tǒng)性能指標(biāo)穩(wěn)定性問題，當(dāng)環(huán)境溫度濕度發(fā)生變化時，被控對象的輸出也會相應(yīng)變化，因此，控制精度和穩(wěn)定性將受到影響。該系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)濕度和溫度等因素自動調(diào)節(jié)通風(fēng)換氣時間，可編程邏輯器件來完成整個監(jiān)控過程，對內(nèi)部環(huán)境的溫度濕度數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，控制風(fēng)機的開啟與關(guān)閉。